3d打印机原理(3d打印机原理与构造)

3D打印定义

百度百科上有如下解释:

3D打印(3DP)是一种快速成型技术，也称为增材制造。它是一种基于数字模型文件，利用粉末金属或塑料等粘合材料，通过逐层打印来构造物体的技术。

相信你看完这个解释，对3D打印的原理还是很困惑。而我会试图通过这篇文章让你彻底了解3D打印的原理。

现实世界中的物质状态

水和冰水和冰

水蒸气蒸汽

如果回忆一下初中的物理课，现实世界中的物质有三种状态:固态、液态和气态。最常见的物质是水(液体)。零下时，水会凝固成冰(固体)，受热时，水会汽化成水蒸气(气体)。实际上，3d打印是通过精确控制材料状态的变化来实现的技术。

气体和液体既然没有固定的形状，就无法形成我们想要的物体。所以目前的3d打印处于固态的最终状态。但众所周知，固态物体不太容易改变形状，气态太难控制，所以目前的3d打印技术是通过将液态(或类液态)物体转化为固态来实现的。

物理变化

物理变化物理变化

把液态变成固态最常见的方法是通过物理变化。例如，许多塑料和金属可以通过提高温度(达到熔点)从固态变成液态，然后在温度低于熔点时从液态变成固态。市面上很多打印机原理都是通过这个简单的原理实现的。首先，打印材料是固体塑料或金属，加热使材料变成液体，然后成型，再冷却变成固体。

化学变化

化学变化化学变化

除了上述的物理变化，最常见的是通过化学变化将液体变成固体的过程。这只能通过特殊的材料来实现，这种材料叫做光敏树脂。顾名思义，这种材料受光照射会发生化学变化。原来的物质是液体，经过光(近紫外光)照射后，会变成固体。但化学变化和物理变化的区别在于，化学变化是单向的，不可逆的。

3d打印中常见的状态改变方法

上面已经介绍了3d打印的基本原理。要真正实现3d打印，我们需要精确控制物理或化学变化的时间和位置，才能“打印”出想要的3D模型。不管后面的3d打印技术有多复杂，归根结底都是通过精确控制打印材料的固化过程来实现的生产模式。

以下是几种常见的3d打印形式:

热FDM(熔融沉积成型)或FFF(熔融细丝制造)

这种3d打印机是市面上最常见的3d打印机，主要是因为原理简单，成本相对较低，这是很多桌面3d打印机的实现原理。实现原理是将固体塑料(导线)加热到熔融状态，熔融的材料会通过打印头流出(流出量是经过精确控制的，有点类似水龙头的流水)。流动的塑料液体会因为没有被加热器加热而恢复到室温，然后再次变成固体，最终形成实物。在这个过程中，打印头需要精确地移动到特定的位置，才能打印出最终的模型。这种打印机一般用步进电机和伺服电机来控制打印头的位置。

打印头简化结构图打印头简化结构图

光固化-SLA(立体平版印刷)或DLP(数字光处理)

SLA和DLP的原理都是通过光固化光敏树脂来实现的，所以都可以称为光固化3d打印，只是成型原理略有不同。

SLA采用单点激光作为光源，通过光斑沿打印路径移动来完成打印过程。DLP使用投影仪技术(DMD，数字微镜设备)，打印时显示一幅完整的画面，就像幻灯片一样。

DLP原理DLP原理

SLA原理SLA原则

选择性激光烧结和其他技术

除了以上的成型原理，还有很多其他的3d打印技术，虽然各有不同，但原理上都很接近。比如SLS，也就是选择性激光烧结，就很像SLA。不同的是SLS的材料是金属粉末或塑料粉末而不是液体，SLS的激光功率更大。其他的3d打印技术都是通过物理或化学的方式，以可控的方式将非固体物质塑造成特定的形状，本质上与上述的非常相似。

如何塑造想要的三维形状

以上部分介绍了几种常见3d打印的成型原理，但是如果需要成型出想要的3d形状，就需要一套坐标系来匹配，才能真正打印出3D模型，这就是3D打印机中的XYZ运动系统。当然，由于打印原理不同，运动系统的实现方式可能会有很大的不同。

就像GPS定位一样，要想在三维上实现空之间的成型，3d打印机必须具备定位到空之间任意位置的能力。例如，FDM打印机通过三个步进电机控制XYZ三轴，使打印头可以在特定的打印范围内移动。

FDM打印机三坐标示意FDM打印机在三个坐标中的示意图

上图是FDM打印机的XYZ坐标示意图。其他打印原理也会有类似的三维坐标，只是具体实现细节不同。比如SLA打印机，Z轴是用步进电机实现的，而XY轴是用激光振镜实现的。激光振镜实际上是由两个电机组成，每个电机都有一个反射镜，通过旋转反射镜使光束在XY平面上移动。

DLP打印机的原理是通过DMD这种特殊的元件直接控制XY平面上的任意一点。

控制代码

要实现真正的打印，光有机器可以在坐标中定位是不够的，还需要特殊的指令告诉机器如何移动。这是Gcode，是从CNC(数控加工设备)借来的，是一组代码，通过简单的字母和数字告诉机器往哪里走。可以理解为打印机的编程语言。只要输入特定的命令，打印机就会执行相应的动作。

例如:

G1 X10 Y20 Z14

该命令是一个非常常见的移动命令。上面的命令是移动到这个坐标(10，20，14)。

从数字模型到机器控制代码——切片机

当以上所有部分组合在一起，就是一个完整的3d打印机，但是这个3d打印机不一定能打印出你面前任何有价值的模型，因为它需要特定的指令才能打印出来，但是打印这样的模型需要几千甚至几十万行精心设计的Gcode。但是，由人来编写如此复杂的控制代码是不现实的，所以我们需要一个特殊的软件——切片器。

切片软件的作用是将数字模型转换成打印机可以识别的控制代码。因为3d打印是一层一层做的，所以切片软件就像一个三维模型一层一层切割一样，被称为切片软件。如下图，为了简化，我把原来的三维模型画成了二维，但原理是一样的。

切片软件及逐层打印示意图切片软件及逐层打印示意图

摘要

至此，3d打印的原理就讲完了。为了让大家有一个全局的视角，我通过使用的过程来勾勒一下。

任何三维软件绘制要打印的模型；切片软件导入绘制的模型，并配置各个打印参数以满足打印机和模型的需要；将生成的Gcode文件通过SD卡或USB连接的形式发送给打印机；打印机控制板逐行读取Gcode文件，并执行每一条指令；根据不同的打印机类型，机器会执行相关的操作，比如FDM会加热打印机的打印头并通过步进电机移动XYZ三个轴，SLA会打开激光器并控制振镜旋转特定角度等等；如此往复，直到Gcode文件全部执行完毕；这个打印任务就完成了。

由于这篇文章通俗讲的是3d打印的原理，很多细节没有涉及，老公司会在以后的文章里慢慢提。如果你有任何关于3d打印的问题，可以给我留言。也许，下一篇文章会介绍你的问题。

谢谢大家。

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